CN115679936A - 一种减震耗能劲芯复合排水桩及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减震耗能劲芯复合排水桩及其施工方法，排水桩包括桩体内芯；排水立管，顶部设有排水孔，底部设有第一过滤层；连续内芯管，套设在桩体外侧，连续内芯管的管壁上开设有过水孔；多个可旋转内芯管段，同轴套设在连续内芯管外侧；排水立管的侧壁上设有横向支管，横向支管一端与排水立管连通，另一端穿过连续内芯管，横向支管远离排水立管的一端设置有第二过滤层；过水材料层，设置在可旋转内芯管段的外侧；通过该设置对主要的承载结构的承载能力提高，并且内芯中排水管与建筑废料外层较多空隙形成的排水通道配合作用使减震耗能劲芯复合排水桩具有较好的排水能力，可利用更少数量的排水桩完成地基排水，节约施工成本及社会资源。
Description
技术领域
本发明涉岩土工程领域，尤其涉及一种减震耗能劲芯复合排水桩及其施工方法。
背景技术
在土建施工过程中，经常会遇到需要进行排水处理的地基，尤其是软土地基。软土一般是指沉积在静水和缓流水环境中的现代沉积物，以黏土颗粒为主，并伴有微生物作用。软土是一种软塑到流动的塑性状态，其外观主要为灰色细土颗粒，如淤泥和淤泥质土、泥炭土和沼泽土，以及其他高压缩性的饱和黏土和淤泥。淤泥和淤泥质土是软土的主要类型。软土地基具有触变性，在日常施工中处于固体状态。一旦负荷超过负荷，就会由固态变为液态。此外，软土地基在施工中受力不均容易产生裂缝；随着施工进度的有序推进，地基基础的重量逐渐增加，当超过最大限度时，就会出现沉降现象，荷载越大下沉越快，且下沉持续时间较长，有的长达几十年。软土地基具有渗透性，主要与组成材料有关。例如，大量的水被保留在地基中，水导致土壤溶解成泥浆。泥浆导致软土地基水更难排出，增加了施工难度。如果在施工中没有进行适当的处理，那么在工程施工中就会出现较大的安全隐患。因此，在施工之前需要对软土地基进行固结处理。
排水固结法是工程中常用的软土地基处理方法，是利用具有一定承载力和良好渗透性的排水桩作为排水通道加速地基水的排出。然而，传统排水桩普遍为单一材质制成，在具有良好排水性的同时其承载能力相较于普通桩基有所降低，导致在地基上建设建筑时需要更多的排水桩进行承载上部结构。因此，在一定程度上造成了建设资源的浪费。此外，传统预制排水桩施工通常采用人力施工或传统机械施工，而在软土地基中土体多成塑性桩体，人员和机械的运动有诸多不便，可能会有机械沉陷和桩洞坍塌的风险，所以需要消耗大量的人力、物力才能完成桩体的施工，且施工安全性不高。因此，有必要研发一种新的复合排水桩及施工方法，以满足施工技术的要求。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种具有较大的承载能力和较好的排水能力，在相同面积软土场地下，可利用更少数量的排水桩完成地基排水，节约施工成本及社会资源的减震耗能劲芯复合排水桩及其施工方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种减震耗能劲芯复合排水桩，包括：
桩体内芯；
排水管道组件，设置在所述桩体内芯的中心，包括：
排水立管，顶部设有排水孔，底部设有第一过滤层；
内外芯管连接组件，设置在所述桩体内芯外侧，包括；
连续内芯管，为筒体结构，套设在所述桩体外侧，连续内芯管的管壁上开设有过水孔；
多个可旋转内芯管段，同轴套设在所述连续内芯管外侧，且其套设后的高度与所述连续内芯管的高度相同，可旋转内芯管段的外侧沿可旋转内芯管段周向均匀布置有多个隔板；
所述排水立管的侧壁上设有横向支管，所述横向支管一端与所述排水立管连通，另一端穿过所述连续内芯管伸入连续内芯管与可旋转内芯管段之间的缝隙中，横向支管远离排水立管的一端设置有第二过滤层；
过水材料层，设置在所述可旋转内芯管段的外侧；
土中孔隙水从侧壁或底部的排水通道渗流至桩体内芯处，排水桩底部的孔隙水通过第一过滤层过滤粗颗粒泥沙，进入排水立管；排水桩侧壁的孔隙水通过可旋转桩体内芯上下拼接的缝隙进入连续可旋转内芯管段过水孔中，经所述第二过滤层过滤粗颗粒泥沙后通过横向支管进入排水立管。
作为本发明的一种优选实施方式：所述桩体内芯为混凝土内芯，所述过水材料层为建筑废料填充层。
作为本发明的一种优选实施方式：多个所述可旋转内芯管段的管壁上沿竖直方向开设有一桩体定位孔，所述桩体定位孔中插设有固定钢条。
另一方面，一种减震耗能劲芯复合排水桩的施工方法，包括以下步骤：
步骤1，预挖桩体：根据具体场地环境和需求，采用人工挖孔的方式在需要设置排水桩的桩位上开挖定位通孔；
步骤2，安装支护外壳：将支护外壳下端插入定位通孔中，由人工调整外壳垂直度，保证支护外壳的垂直度在施工要求范围内；
步骤3，吊装开挖部件：从支护外壳上端将开挖部件吊装入支护外壳内部，并进行安装；
步骤4，启动设备，向下开挖，直至达到复合排水桩桩底的预设标高；
步骤5，扩底开挖：完成桩体部分开挖后，继续向下开挖扩底层，用于扩大桩基底面；
步骤6，取出开挖部件；
步骤7，填充底部：从支护外壳上部的开口向下投入填充材料，待其铺满扩底层后，伸入振捣机械进行振捣密实，平整上表面；
步骤8，安装复合排水桩：将根据隔板的长度与支护外壳的内径相适配，对不含填充材料的预制复合排水桩定位并放入支护外壳的内部空间中，保持其垂直度；
步骤9，填充桩周空间：倾倒填充材料填充复合排水桩与支护外壳的缝隙空间，形成过水材料层，取出桩体定位孔中的固定钢条，在排水孔中放置抽水泵，将排水立管内地基排水抽取至地面；
步骤10，取出支护结构：完成减震耗能劲芯复合排水桩的施工，取出支护外壳。
作为本发明的一种优选实施方式：所述开挖部件包括：
开挖支撑架；
高压空化喷头，设置在所述开挖支撑架的底部；
注水管道，安装在所述开挖支撑架内，上端连接地表的水泵，下端连接高压空化喷头；
注气管道，安装在所述注水管道一侧，其上端连接地表的气泵，下端与注水管道连接，将气体混合入水中形成空化射流所需的含气水体后通过高压空化喷头输出；
抽水管道，安装在开挖支撑架中心，上端连接抽水泵，下端伸出开挖支撑架用于吸出泥浆。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤3具体为：将高压空化喷头向下对准需要开挖的土体；开挖部件内注水管道连接地面上的注水泵；注气管道连接地面上的注气泵；抽水管道连接地面上的抽水泵。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤4具体为：开启地面上的注水泵、注气泵和抽水泵，使用高压空化喷头开挖下方土体，并将开挖下土体与喷头射出水流混合成泥浆，由抽水管道抽运至地面；所述支护外壳随着土体的挖掘逐渐下沉。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤5中在开挖操作之前先向支护外壳内注入0.5m深的水，使空化射流对土体的开挖在水面以下进行。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
（1）本发明与传统排水桩相比，减震耗能劲芯复合排水桩内部设置连续内芯管和混凝土桩体内芯作为主要的承载结构具有较大的承载能力，并且内芯中排水管与建筑废料外层较多空隙形成的排水通道配合作用使减震耗能劲芯复合排水桩具有较好的排水能力，在相同面积软土场地下，可利用更少数量的排水桩完成地基排水，节约施工成本及社会资源。
（2）减震耗能劲芯复合排水桩外壳采用建筑废料填充形成，重复利用废弃材料，提高资源的利用率，节约建筑成本，且建筑废料外壳能够在软土地基中形成有效的排水通道，提高地基的排水速度。
（3）改变传统预制桩施工方法，使用空化射流进行开挖，提高了土体的开挖效率，且在施工过程中，产生噪声较小，不具有挤土效应，有利于施工的进行，开挖产生泥浆可使用管道运输出施工场地，清洁便利能有效的改善施工环境；
（4）支护外壳承担桩侧壁的支护任务，避免因桩壁脱落发生成桩质量问题，安全性高。
（5）在地震过程中，减震耗能劲芯复合排水桩具有可旋转内芯管段连接的隔板，当地层发生液化现象时，液化土层推动隔板运动消耗地震动的能量，削弱地震对上部建筑的影响作用。
附图说明
图1是复合排水桩成桩俯视图；
图2是A-A′剖面图；
图3是B-B′剖面图；
图4是排水立管与横向支管详图；
图5是开挖装置底视图；
图6是开挖装置截面图；
图7是开挖装置剖面图；
图8是桩体施工流程图；
图9是可旋转内芯管段与旋转隔板立体图；
图10是排水立管和横向支管立体图；
图11是连续内芯管和过水孔立体图；
图12是连续内芯管与排水系统连接透视图；
图13是连续内芯管与可旋转内芯管段套接透视图；
图14是可旋转内芯管段安装完成后的透视图。
其中，附图标记为：连续内芯管1-1、可旋转内芯管段1-2、隔板1-3、桩体定位孔1-4、过水孔1-5、桩体内芯2、排水孔3-1、排水立管3-2、横向支管3-3、外螺纹3-4、内螺纹3-5、第一过滤层3-6、第二过滤层3-7、过水材料层4、支护外壳5、开挖支撑架6-1、高压喷头6-2、抽水管道6-3、注水管道6-4、注气管道6-5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
如图1所示为一种减震耗能劲芯复合排水桩，包括：
桩体内芯；
排水管道组件，设置在所述桩体内芯的中心，包括：
排水立管，顶部设有排水孔，底部设有第一过滤层3-6；
内外芯管连接组件，设置在所述桩体内芯外侧，包括；
连续内芯管1-1，为筒体结构，套设在所述桩体外侧，连续内芯管1-1的管壁上开设有过水孔；
多个可旋转内芯管段1-2，同轴套设在所述连续内芯管1-1外侧，且其套设后的高度与所述连续内芯管1-1的高度相同，可旋转内芯管段1-2的外侧沿可旋转内芯管段1-2周向均匀布置有多个隔板1-3；
所述排水立管的侧壁上设有横向支管3-3，所述横向支管3-3一端与所述排水立管连通，另一端穿过所述连续内芯管1-1伸入连续内芯管1-1与可旋转内芯管段1-2之间的缝隙中，横向支管3-3远离排水立管的一端设置有第二过滤层3-7；
过水材料层4，设置在所述可旋转内芯管段1-2的外侧；
土中孔隙水从侧壁或底部的排水通道渗流至桩体内芯处，排水桩底部的孔隙水通过第一过滤层3-6过滤粗颗粒泥沙，进入排水立管；排水桩侧壁的孔隙水通过可旋转桩体内芯上下拼接的缝隙进入连续可旋转内芯管段1-2过水孔中，经所述第二过滤层3-7过滤粗颗粒泥沙后通过横向支管3-3进入排水立管。
所述桩体内芯为混凝土内芯，所述过水材料层4为建筑废料填充层。
多个所述可旋转内芯管段上沿竖直方向开设有一桩体定位孔，所述桩体定位孔中插设有固定钢条。
实施例2
排水立管，其顶部开设有过水孔1-5，底部设置有第一过滤层3-6，侧向设有分支；
桩体内芯2，底部设置有扩底层；
连续内芯管1-1，为圆环柱体，其侧面横向开设有过水孔；
可旋转内芯管段1-2，为圆环柱体，其侧面沿竖直方向开设有桩体定位孔；
隔板1-3，等距设置在所述可旋转内芯管段1-2的外表面，
过水材料层，设置在所述可旋转内芯管段1-2的外侧；
所述排水立管上还设置有横向支管3-3，所述横向支管3-3的一端与所述排水立管的分支连接，另一端设置有第二过滤层3-7并插入所述连续内芯管1-1的过水孔内。
减震耗能劲芯复合排水桩包括桩体内芯、排水管道系统、内外芯管连接组件与过水材料层4；
所述排水管道系统由排水立管3-2、横向支管3-33-3与过滤层3-6组成；排水立管3-2在上部开有过水孔1-53-1，底部安装过滤层3-6；侧向具有附带外螺纹3-4的分支，用于同横向支管3-33-3上的内螺纹3-5进行连接，横向支管3-33-3另一端安装过滤层3-6；
所述内外芯管连接组件由连续内芯管1-1、可旋转内芯管段1-2和隔板1-3组成；连续内芯管1-1为圆环柱体，其侧面开有过水孔1-5，横向支管3-33-3插入过水孔1-5与连续内芯管1-1连接；连续内芯管1-1外侧套有可旋转内芯管段1-2，二者仅为接触无连接；可旋转内芯管段1-2沿竖直方向开有过水孔作为初始桩体定位孔1-4，其中复合排水桩安装前插有固定钢条；可旋转内芯管段1-2外表面连接8个隔板1-3，在隔板1-3之间填充建筑废料形成建筑废料填充层；
所述桩体内芯采用混凝土材料浇筑形成混凝土内芯2，过水材料层4采用建筑废料进行填充形成建筑废料填充层
实施例3
所述开挖部件包括：
开挖支撑架6-1；
高压空化喷头，设置在所述开挖支撑架6-1的底部；
注水管道，安装在所述开挖支撑架6-1内，上端连接地表的水泵，下端连接高压空化喷头；
注气管道，安装在所述注水管道一侧，其上端连接地表的气泵，下端与注水管道连接，将气体混合入水中形成空化射流所需的含气水体后通过高压空化喷头输出；
抽水管道，安装在开挖支撑架6-1中心，上端连接抽水泵，下端伸出开挖支撑架6-1用于吸出泥浆。
排水立管3-2的侧向具有附带外螺纹3-4的分支，用于同横向支管3-33-3上的内螺纹3-5进行连接，横向支管3-33-3另一端安装过滤层3-6；
所述桩体内芯2采用混凝土材料浇筑形成混凝土内芯，过水材料层4采用建筑废料进行填充形成建筑废料填充层；
利用空化射流的开挖装置包括支护外壳5和开挖部件；
所述开挖部件由开挖支撑架6-1、高压空化喷头6-2、抽水管道6-3、注水管道6-4、注气管道6-5组成；注水管道6-4安装在开挖支撑架6-1内，其上端连接地表的水泵提供压力和水源，下端连接高压空化喷头6-2；注气管道6-5安装在注水管道6-4内侧，其上端连接地表的气泵，下端与注水管道6-4连接，将气体混合入水中形成空化射流所需的含气水体，然后输入高压空化喷头6-2；抽水管道6-3安装在开挖支撑架6-1中心，上端连接抽水泵，下端伸出开挖支撑架6-1用于吸出泥浆；
所述支护外壳5优选硬度大不易损坏的材料制作而成，如钢材料、铝材料等；
一种所述减震耗能劲芯复合排水桩的施工方法，具体包括以下步骤：
步骤1，预挖桩体：根据具体场地环境和需求，采用人工挖孔的方式在需要设置排水桩的桩位上开挖定位通孔；该桩体定位孔位于可旋转内芯管段1-2上，用于桩体安装前限制可旋转内芯管段1-2的转动；而这个部分是由于隔板1-3的长度与支护外壳5内径相关进行定位桩的位置；
步骤2，安装支护外壳5：将支护外壳5下端插入桩体定位孔中，由人工调整外壳垂直度，保证支护外壳5的垂直度在施工要求范围内；
步骤3，吊装开挖部件：从支护外壳5上端将开挖部件吊装入支护外壳5内部，并进行安装，将高压空化喷头向下对准需要开挖的土体；开挖部件内注水管道连接地面上的注水泵；注气管道连接地面上的注气泵；抽水管道6-3连接地面上的抽水泵；
步骤4，启动设备，向下开挖，开启地面上的注水泵、注气泵和抽水泵，使用高压空化喷头开挖下方土体，并将开挖下土体与喷头射出水流混合成泥浆，由抽水管道6-3抽运至地面；所述支护外壳5随着土体的挖掘逐渐下沉，直至达到复合排水桩桩底的预设标高；
步骤5，扩底开挖：操作之前先向支护外壳5内注入0.5m深的水，使空化射流对土体的开挖在水面以下进行；完成桩体部分开挖后，继续向下开挖扩底层，用于扩大桩基底面；
步骤6，取出开挖部件；
步骤7，填充底部：从支护外壳5上部的开口向下投入填充材料，待其铺满扩底层后，伸入振捣机械进行振捣密实，平整上表面；
步骤8，安装复合排水桩：将根据隔板1-3的长度与支护外壳5的内径相适配，对不含填充材料的预制复合排水桩定位并放入支护外壳5的内部空间中，保持其垂直度；步骤9，填充桩周空间：倾倒填充材料填充复合排水桩与支护外壳5的缝隙空间，形成过水材料层4，取出桩体定位孔中的固定钢条，在过水孔1-5中放置抽水泵，将排水立管内地基排水抽取至地面；
步骤10，取出支护结构：完成减震耗能劲芯复合排水桩的施工，取出支护外壳5。
安装完成后的排水桩工作原理：
所述减震耗能劲芯复合排水桩在安装完成后，其发挥作用分为两个阶段：
第一阶段为地基排水固结阶段，这一阶段中地基随着孔隙水的排出，土中有效应力逐渐增加，地基发生沉降并提高强度，改善场地的施工条件。其工作原理在于：桩体侧壁及底部采用建筑废料制成的填充层中含有较多空隙形成的排水通道，孔隙水从侧壁或底部的排水通道渗流至桩体内芯处，底部通过第一过滤层3-6过滤粗颗粒泥沙，使孔隙水进入排水立管；侧壁通过可旋转桩体内芯上下拼接的缝隙进入连续可旋转内芯管段1-2过水孔中，使用第二过滤层3-7过滤粗颗粒泥沙，使孔隙水通过横向支管3-3进入排水立管，最后使用抽水泵等方式从桩体上端开口处将孔隙水抽出，完成地基中孔隙水的排出，使地基土固结以提高强度。
第二阶段为地震减震耗能阶段，这一阶段中由于地震作用会地基土趋于密实，使孔隙水压力急剧增加。在地震作用的短暂时间内，这种急剧上升的孔隙水压力来不及消散，使有效应力减小，当有效应力完全消失时，土体颗粒局部或全部处于悬浮状态。此时，土体抗剪强度等于零，形成“液体”现象，导致土体从固态转变为流态造成巨大危害。因此，需要在孔隙水压力在积累过程中加快孔隙水的排出，保持孔隙水压力的平衡，防止土体的液化现象。此外，地震作用通常伴随着地层运动，使地基发生侧向位移导致上层建筑的损坏，所以需要在桩体对地基土的侧向位移进行限制。其工作原理为：孔隙水的排出如第一阶段地基排水固结的原理相同，起到减震抗地层液化的效果。此外，地层侧向位移时，由于桩体上可旋转内芯管段1-2连接的隔板1-3会阻碍建筑废料填充层4的侧向位移，且由于可旋转内芯管段1-2与连续内芯管1-1套接并不会对桩体产生较大弯矩，起到耗能的作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种减震耗能劲芯复合排水桩，其特征在于，包括：
桩体内芯；
排水管道组件，设置在所述桩体内芯的中心，包括：
排水立管，顶部设有排水孔，底部设有第一过滤层；
内外芯管连接组件，设置在所述桩体内芯外侧，包括；
连续内芯管，为筒体结构，套设在所述桩体外侧，连续内芯管的管壁上开设有过水孔；
多个可旋转内芯管段，同轴套设在所述连续内芯管外侧，且其套设后的高度与所述连续内芯管的高度相同，可旋转内芯管段的外侧沿可旋转内芯管段周向均匀布置有多个隔板；
所述排水立管的侧壁上设有横向支管，所述横向支管一端与所述排水立管连通，另一端穿过所述连续内芯管伸入连续内芯管与可旋转内芯管段之间的缝隙中，横向支管远离排水立管的一端设置有第二过滤层；
过水材料层，设置在所述可旋转内芯管段的外侧；
土中孔隙水从侧壁或底部的排水通道渗流至桩体内芯处，排水桩底部的孔隙水通过第一过滤层过滤粗颗粒泥沙，进入排水立管；排水桩侧壁的孔隙水通过可旋转桩体内芯上下拼接的缝隙进入连续可旋转内芯管段过水孔中，经所述第二过滤层过滤粗颗粒泥沙后通过横向支管进入排水立管。
2.根据权利要求1所述的减震耗能劲芯复合排水桩，其特征在于， 所述桩体内芯为混凝土内芯，所述过水材料层为建筑废料填充层。
3.根据权利要求1所述的减震耗能劲芯复合排水桩，其特征在于，多个所述可旋转内芯管段的管壁上沿竖直方向开设有一桩体定位孔，所述桩体定位孔中插设有固定钢条。
4.一种根据权利要求1-3中任一所述减震耗能劲芯复合排水桩的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，预挖桩体：根据具体场地环境和需求，采用人工挖孔的方式在需要设置排水桩的桩位上开挖定位通孔；
步骤2，安装支护外壳：将支护外壳下端插入定位通孔中，由人工调整外壳垂直度，保证支护外壳的垂直度在施工要求范围内；
步骤3，吊装开挖部件：从支护外壳上端将开挖部件吊装入支护外壳内部，并进行安装；
步骤4，启动设备，向下开挖，直至达到复合排水桩桩底的预设标高；
步骤5，扩底开挖：完成桩体部分开挖后，继续向下开挖扩底层，用于扩大桩基底面；
步骤6，取出开挖部件；
步骤7，填充底部：从支护外壳上部的开口向下投入填充材料，待其铺满扩底层后，伸入振捣机械进行振捣密实，平整上表面；
步骤8，安装复合排水桩：将根据隔板的长度与支护外壳的内径相适配，对不含填充材料的预制复合排水桩定位并放入支护外壳的内部空间中，保持其垂直度；
步骤9，填充桩周空间：倾倒填充材料填充复合排水桩与支护外壳的缝隙空间，形成过水材料层，取出桩体定位孔中的固定钢条，在排水孔中放置抽水泵，将排水立管内地基排水抽取至地面；
步骤10，取出支护结构：完成减震耗能劲芯复合排水桩的施工，取出支护外壳。
5.根据权利要求4所述的减震耗能劲芯复合排水桩的施工方法，其特征在于，所述开挖部件包括：
开挖支撑架；
高压空化喷头，设置在所述开挖支撑架的底部；
注水管道，安装在所述开挖支撑架内，上端连接地表的水泵，下端连接高压空化喷头；
注气管道，安装在所述注水管道一侧，其上端连接地表的气泵，下端与注水管道连接，将气体混合入水中形成空化射流所需的含气水体后通过高压空化喷头输出；
抽水管道，安装在开挖支撑架中心，上端连接抽水泵，下端伸出开挖支撑架用于吸出泥浆。
6.根据权利要求5所述的减震耗能劲芯复合排水桩的施工方法，其特征在于，所述步骤3具体为：将高压空化喷头向下对准需要开挖的土体；开挖部件内注水管道连接地面上的注水泵；注气管道连接地面上的注气泵；抽水管道连接地面上的抽水泵。
7.根据权利要求6所述的减震耗能劲芯复合排水桩的施工方法，其特征在于，所述步骤4具体为：开启地面上的注水泵、注气泵和抽水泵，使用高压空化喷头开挖下方土体，并将开挖下土体与喷头射出水流混合成泥浆，由抽水管道抽运至地面；所述支护外壳随着土体的挖掘逐渐下沉。
8.根据权利要求7所述的减震耗能劲芯复合排水桩的施工方法，其特征在于，所述步骤5中在开挖操作之前先向支护外壳内注入0.5m深的水，使空化射流对土体的开挖在水面以下进行。
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